2.2. Фазовые диаграммы р,t- и р,V- для воды и пара

Области существования воды в различных фазовых состояниях [1] можно представить в диаграмме р,t (рис. 2.1).

З десь линия АВ – линия фазового перехода твердой и жидкой фазы: слева от нее лед, справа - жидкость. Линия АК – линия фазового перехода жидкой и паровой фазы воды: слева от нее жидкость, справа – пар. Линия АС – линия фазового перехода твердой фазы воды и пара: слева от нее лед, справа – пар.

На линиях фазового перехода возможно существование двух фаз воды; на АВ – лед + жидкость; на АК – жидкость + пар; на АС – лед + пар. Все линии фазовых переходов имеют одну общую точку А, где возможно одновременное существование трех фаз воды, – это тройная точка воды. Она имеет температуру t_о=0,01°С и давление р_о=611,2 Па.

Линия АК заканчивается вверху критической точкой К с параметрами: t_кр.=374,12 ^оС, р_кр.=221,15 бар. Переход из жидкой фазы в паровую выше критической точки минует двухфазное состояние воды, т.е. осуществляется мгновенно.

В данной лабораторной работе экспериментально определяется небольшой участок линии АК диаграммы р,t- при давлениях от 1 до 50 бар

Для воды в диаграмме р,v- фазовые состояния жидкости и пара показаны на рис. 2.2. На этом же рисунке показан изохорный процесс нагрева воды 12 в данной работе.

На линии х=0 находится жидкость в состоянии насыщения.

На линии х=1 – сухой насыщенный пар.

Между линиями х=0 и х=1 – влажный насыщенный пар.

Линия t=0°С – изотерма жидкости при 0°С.

Между t=0°С и х=0 находится жидкая фаза воды.

Выше х=1 – перегретый пар.

В ыше критической точки К нет видимого фазового перехода пар в жидкость или наоборот.

В данной лабораторной работе изучается процесс изохорного нагрева воды в жестком сосуде. Нагрев воды начинается из области влажного насыщенного пара (точка 1 рис.2.2). В том случае если удельный объем воды в начале процесса меньше критического, то этот процесс в р,v- диаграмме может завершиться ниже линии х=1 (ниже точки 2’, это область влажного насыщенного пара, т.к. р₂<p_н) или выше этой линии (точка 2 это область перегретого пара, т.к. р₂>p_н). Если в точке 1 удельный объем меньше критического, то завершение процесса изохорного нагрева воды может находиться или в области влажного насыщенного пара (ниже х=0), или в области жидкости (выше х=0).

2.3. Расчет изохорного процесса нагрева воды

Расчет изохорного процесса нагрева воды заключается в определении параметров воды в начале и конце процесса, и определении теплоты этого процесса.

Параметры в начале процесса определяются по степени сухости х₁ и давлению р₁. Давление р₁ определяется по показанию прибора в момент герметизации сосуда, когда из сосуда удален весь воздух путем его вытеснения насыщенным водяным паром. Начальное состояние воды (точка 1) соответствует влажному насыщенному пару, степень сухости которого определяется выражением

, (2.8)

где v₁, v₁′ и v₁′′ – удельные объемы в начале процесса влажного насыщенного пара, жидкости в состоянии насыщении и сухого насыщенного пара соответственно.

Энтальпия и внутренняя энергия водяного пара в начале процесса определяет выражениями

, (2.9)

. (2.10)

Определение параметров в конце процесса выполняется на основании известных величин v₂=v₁ и р₂. Прежде чем определить другие параметры, необходимо выяснить какое фазовое состояние воды в конце процесса (см. раздел 2.2). В случае если в конце процесса влажный насыщенный пар (р₂<p_н), по давлению р₂ и v₂=v₁ определяются энтальпия и внутренняя энергия

, (2.11)

, (2.12)

где – степень сухости пара в конце процесса.

В случае если в конце процесса перегретый пар (р₂>p_н), энтальпия и внутренняя энергия определяются по давлению р₂ и температуре t₂.

Теплота изохорного процесса в соответствии с первым законом термодинамики равна изменению внутренней энергии водяного пара

. (2.13)